新型钴-聚吡咯-碳载Pt燃料电池催化剂的制备与表征

采用脉冲微波辅助化学还原法制备了钴-聚吡咯-碳（Co-PPy-C）载Pt 催化剂（Pt/Co-PPy-C）,其中Pt 的总质量占20%. 利用透射电镜（TEM）、光电子射线能谱分析（XPS）和X射线衍射（XRD）研究了催化剂的结构,用循环伏安（CV）、线性扫描伏安（LSV）等方法考察了其电化学活性及氧还原反应（ORR）动力学特性及耐久性. Pt/Co-PPy-C电催化剂的金属颗粒直径约1.8 nm,略小于商用催化剂Pt/C（JM）颗粒尺寸（约2.5 nm）;催化剂在载体上分散均匀,粒径分布范围较窄. Pt/Co-PPy-C的电化学活性比表面积（ECSA）（75.1 m²·g^-1）高于商用催化剂的ECSA（51.3 m²·g^-1）. XPS测试表明,自制催化剂表面的Pt 主要以零价形式存在. 而XRD结果显示,自制催化剂中Pt（111）峰最强,Pt 主要为面心立方晶格. Pt/Co-PPy-C具有与Pt/C（JM）相同的半波电位;在0.9 V下,Pt/Co-PPy-C的比活性（1.21 mA·cm^-2）高于商用催化剂的比活性（1.04 mA·cm^-2）,表现出更好的ORR催化活性.动力学性能测试表明催化剂的ORR反应以四电子路线进行. CV测试1000 圈后,Pt/Co-PPy-C和Pt/C（JM）的ECSA 分别衰减了13.0%和24.0%,可见自制催化剂的耐久性高于商用Pt/C（JM）,在质子交换膜燃料电池（PEMFC）领域有一定的应用前景.     

碳载体的预处理对Pt/C催化剂结构和性能的影响

采用一种新的调变多元醇制备方法,通过调节碳载体热处理条件,制备得到不同的Pt/C燃料电池催化剂。采用pH计及物理吸附仪表征碳黑表面的含氧官能团和比表面积,利用电感耦合等离子光谱、X射线衍射、透射电镜和循环伏安法分别表征催化剂的成分、物相组成、微观组织形貌和电化学性能,并与进口的Johnson Matthey(JM) Pt/C催化剂的性能进行对比。结果表明:采用调变多元醇法,以400 ℃热处理碳黑作载体所制备的Pt/C催化剂的电化学比表面积达到83 m²·g^-1,质量电流密度为49.03 A·g^-1。而进口催化剂JM 20% Pt/C的电化学比表面积为77 m²·g^-1,质量电流密度仅11.13 A·g^-1,自制催化剂即使Pt载量降低3wt%~4wt%,其电催化活性仍优于进口催化剂。     

脉冲微波辅助化学还原合成Pt/C 催化剂及其电催化氧还原性能

采用脉冲微波辅助化学还原法制备了质子交换膜燃料电池(PEMFC)用Pt/C 催化剂. 通过透射电镜(TEM)和X射线衍射(XRD)等分析技术对催化剂的微观结构和形貌进行了表征, 并利用循环伏安(CV)、线性扫描(LSV)和恒电位测量等方法评价了催化剂催化氧还原性能. 在此基础上制备了膜电极(MEA)并组装成单电池, 考察了制备的Pt/C 催化剂作为阴极催化剂材料的电催化性能. 结果表明, 脉冲微波辅助化学还原法是一种制备PEMFC催化剂的有效方法, 溶液pH值和微波功率对Pt 颗粒直径和分散有重要影响. TEM和XRD结果显示, 当溶液pH值为10 且微波功率为2 kW时, Pt 纳米粒子较均匀地分散在碳载体上, 粒径分布在1.3-2.4 nm之间, 平均粒径为1.8 nm. CV、LSV和恒电位测试结果表明, 该催化剂电化学比表面积(ESA)为55.6 m²·g^-1, 具有良好的催化氧还原反应活性和稳定性. 单电池测试结果表明, 在溶液pH值为10条件下, 微波功率为2 kW时制备的催化剂作阴极催化剂时, 单电池最高功率密度为2.26 W·cm^-2·mg^-1, 高于微波功率为1 kW时的最高功率密度(2.15 W·cm^-2·mg^-1)和Johnson Matthey催化剂的最高功率密度(1.89 W·cm^-2·mg^-1).     

CMK-5负载Pt-Ni合金催化剂及其甲醇电化学氧化性能

采用NaBH₄还原法将不同原子比的铂镍负载于CMK-5(由SBA-15模板所得的碳载体)表面. X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)测试结果表明, 所得催化剂是以铂镍合金的形式存在, 相对于Pt/CMK-5而言, 这种合金化的催化剂中Pt表现出更多的金属态. 电化学测试结果显示, 在催化剂中主要以化合态存在的镍(包括NiO、Ni(OH)₂和NiOOH)可能更有利于甲醇的吸附和氧化产物从催化剂表面的脱附. 另外, 从循环伏安测试结果可知, Pt-Ni/CMK-5 (5:1)(原子比)具有较大的比表面活性, 其电化学活性面积高达63.9 m²·g^-1, 且与Pt/CMK-5相比抗CO中毒能力有明显改善.     

热处理对二氧化锰电化学行为的影响

以高锰酸钾和醋酸锰为前驱体, 通过液相沉淀法合成得到二氧化锰. 在不同温度热处理条件下研究二氧化锰的结构转变及其作为超级电容器电极材料的电化学行为. 采用X射线衍射(XRD), 扫描电镜(SEM), 氮气物理吸附和热重(TG)等手段表征产物的结构特点; 采用循环伏安和恒流充放电等方法表征其电化学行为. 结果表明: 合成的二氧化锰是具有中孔特征的α-MnO₂, 比表面积为253 m²·g^-1, 颗粒尺寸在50-100 nm之间. 350 °C以下的低温热处理使氧化锰仍能保持α-MnO₂的晶体结构, 比表面积为170 m²·g^-1左右, 单电极比电容值由原来未热解时的267 F·g^-1增加到250 °C热处理后的286 F·g^-1. 高温热处理(>450 °C)导致氧化锰逐渐过渡为α-Mn₂O₃, 且表面积下降约为30 m²·g^-1, 比电容急剧下降. 低温热处理后氧化锰的电化学稳定性明显提高, 在50 mV·s^-1的快速扫描速率下, 电极具有良好的倍率特性.     

电化学双电层电容器电极材料——豌豆荚基活性炭的制备与表征

以豌豆荚为碳源、ZnCl₂或KOH为活化剂制备了活性炭, 并用作双电层电容器的电极材料. 采用比表面及孔隙度分析仪表征了豌豆荚基活性炭的孔结构. 通过KOH或ZnCl₂活化后, 活性炭比表面积从1.69 m²·g^-1增大到2237或621 m²·g^-1. 采用循环伏安法和恒流充放电测试技术表征了豌豆荚基活性炭的电化学特性. 结果表明: 在6 mol·L^-1 KOH溶液中经KOH活化处理的活性炭的质量比电容高达297.5 F·g^-1, 并具有良好的充放电稳定性, 在5 A·g^-1的高电流密度下循环充放电500次后, 质量比电容仅衰减8.6%.     

淀粉基炭负载纳米铜催化合成碳酸二甲酯

以硝酸铜和可溶性淀粉为原料, 经过溶胶-凝胶化过程、高温炭化和KOH活化得到炭负载铜催化剂(Cu/C), 采用扫描电镜、透射电镜、X射线衍射、热重-差热分析仪、N₂吸附和CO程序升温脱附对催化剂结构进行了表征, 并考察了它在甲醇氧化羰基化合成碳酸二甲酯(DMC)反应中的催化活性. 结果表明, 活化温度和KOH用量对催化剂的表面结构及金属铜粒子尺寸影响显著, 当活化温度为850℃, KOH:C=1 (质量比)时, Cu/C催化剂的比表面积达到1690 m²/g, 铜纳米粒子平均晶粒尺寸为30.4 nm, 催化活性最高, DMC时空收率达到235.7 mg·g^-1·h^-1, 甲醇转化率和DMC选择性分别为1.6%和76.5%.     

燃料电池铂钴锰合金催化剂的制备及性能

为提高PtCo/C合金催化剂的电化学性能,采用微波法合成铂钴锰催化剂前驱体,经高温热处理形成合金,最后通过酸处理得到铂钴锰合金催化剂(PtCoMn/C)。电化学测试结果表明:适量锰的添加可提升PtCo/C催化剂的活性和耐久性。PtCoMn/C催化剂在 0.9 V(vs RHE)电压下的质量比活性(MA)达到 0.666 A·mg_Pt^-1,是传统 Pt/C 的 2.66 倍,是 PtCo/C 催化剂的 1.30 倍。在30 000圈催化剂加速耐久性测试中,PtCoMn/C合金催化剂的电化学活性面积(ECSA)和质量比活性(MA)仅下降6.9%和27.1%,均远低于Pt/C催化剂。     

基于羧甲基纤维素钠制备氮掺杂多孔炭及其电容性能研究

以羧甲基纤维素钠(NaCMC)为碳源, 利用直接炭化工艺(无需进一步活化)制备多孔炭材料; 然后, 以CO(NH₂)₂为氮源, 形成了氮掺杂多孔炭材料. 氮的存在形式包括吡啶N、石墨N和吡咯N. 实验结果表明, 羧甲基纤维素钠与CO(NH₂)₂之间的配比可以有效控制氮存在形式、含量、样品的比表面积及孔的结构等. 样品的电化学性能测试表明, 氮掺杂后多孔炭材料的超电容性能得到了显著提升. 以carbon-N-1:20为例, 其比表面积可达858 m²·g^-1, 远高于未经氮掺杂carbon-blank 的463 m²·g^-1, 其质量比电容则由94.0 F·g^-1提高到了156.7F·g^-1.     

氮掺杂有序介孔碳-Ni纳米复合材料的制备及电化学性能

以F₁₂₇为模板剂,NiCl₂为镍源,尿素为氮源,间苯二酚甲醛原位聚合树脂为碳源,分别采用均相法和两相法制备Ni-N-OMC-1,Ni-N-OMC-2纳米复合材料.X射线衍射(XRD)、激光拉曼以及透射电子显微镜(TEM)等测试结果表明,复合材料具有有序介孔结构,Ni以金属微粒形式嵌于碳骨架中,提高了有序介孔碳的石墨化程度.X射线光电子能谱测试(XPS)表明尿素热解后以4种形式存在:sp³杂化与C结合的N原子,吡啶N原子,sp²杂化与C结合的N原子以及quaternary-N原子.Ni-N的共改性改变了碳载体的理化性质,有利于Pt纳米粒子的负载与分散.均相法制备的Ni-N-OMC-1复合材料微波负载Pt后,氧还原极限电流密度为5.32mA·cm^-2,氢氧化电化学活性面积高达138.53m²·g^-1,电化学催化活性优于商业20%Pt/C材料(4.49mA·cm^-2,96.98m²·g^-1).     

Improved lifetime of PEM fuel cell catalysts through polymer stabilization

A novel approach to increase lifetime of Pt/C catalysts was demonstrated and shown that Nafion-stabilized Pt catalyst (denoted here as Nafion-Pt/C) synthesized by a colloid route gives rise to an enhanced durability as compared to a conventional Pt/C catalysts commonly used in PEM fuel cell. A high catalytic activity of the catalyst is also observed by both CV (cyclic voltammetry) and ORR (oxygen reduction reaction) measurements. This catalyst durability in comparison with conventional Pt/C is increased directly by electrochemically-accelerated durability test (ADT). The loss rate of electrochemical active area (ECA) for Nafion-Pt/C catalysts is only 0.004 m² g⁻¹ cycle⁻¹, compared to a value of 0.012 m² g⁻¹ cycle⁻¹ for Pt/C. This indicates the catalyst is three times higher durability than Pt/C.     

静电纺丝制备多孔碳纳米纤维及其电化学电容行为

采用静电纺丝技术,以聚丙烯腈(PAN)/醋酸锌为前驱体制备复合纳米纤维,随后经碳化、酸化获得多孔碳纳米纤维.扫描电子显微镜(SEM)观察发现,碳纳米纤维表面分布大量孔洞.N2吸脱附等温曲线(BET)测试材料比表面积达413m2·g-1.循环伏安法(CV)和恒流充放电(CP)性能测试表明:多孔碳纳米纤维具有较好的电化学性能,在1A·g-1的电流密度下比电容达275F·g-1.相比碳纳米纤维比容量提高了162%.     

CO tolerant Pt/WC methanol electro-oxidation catalyst

Platinum supported on WC (Pt/WC) catalyst (20 wt.% Pt) was synthesized as a new methanol electro-oxidation catalyst. Particle size of 7.5 nm was obtained from X-ray diffraction results and a uniform distribution of particles was observed by transmission electron microscopy. In cyclic voltammetry (CV) measurement, the reduction peak potential of PtO increased from 0.72 V in commercial Pt/C to 0.76 V in Pt/WC. By combining the CV and CO stripping results, spill-over of H⁺ from Pt to WC was observed. Electrochemically active surface area calculated from the desorption area of H⁺ were 11.2 and 5.74 m²/g catalyst for Pt/WC and Pt/C, while those obtained from the desorption area of CO were 4.42 and 6.40 m²/g catalyst, respectively. CO electro-oxidation peak potential greatly decreased from 0.80 V in Pt/C to 0.68 V in Pt/WC. The reaction of WC with water to produce WC–OH could lower to CO electro-oxidation peak potential. Specific activity for methanol electro-oxidation increased from 144 mA/m² in Pt/C to 188 mA/m² in Pt/WC.     

用于燃料电池Co@Pt/C核壳结构催化剂的制备及表征

采用两步化学还原法制备了Co@Pt/C电催化剂, 并在还原气氛下对催化剂进行热处理. 通过高分辨透射电镜(HR-TEM)和X射线光电子能谱(XPS)等技术对催化剂的微观结构和形貌进行表征. 结果表明: 形成的Co@Pt/C催化剂具有核壳结构, 金属纳米颗粒均匀负载于碳上, 其粒径分布范围较窄; 热处理对催化剂的结构和形貌有较大影响. 利用循环伏安(CV)法和线性伏安扫描(LSV)法表征催化剂的电化学活性、氧还原反应(ORR)动力学特性及耐久性. 制备的Co@Pt/C催化剂在电解质溶液中表现出良好的电化学性能, 核壳结构的形成有助于提高Pt 的利用率. 动力学性能测试表明催化剂的ORR反应以四电子路线进行. 相比于合金催化剂,核壳结构催化剂的耐久性和稳定性有很大程度的改善.     

Highly active PtRuFe/C catalyst for methanol electro-oxidation

High methanol electro-oxidation activity was obtained on novel PtRuFe/C (2:1:1 at.%) catalyst. Mass and specific activities were 5.67 A  g⁻¹ catal. and 177 mA m⁻² for the PtRuFe/C catalyst while those of the commercial PtRu/C catalyst were 2.28 A g⁻¹ catal. and 87.7 mA m⁻², respectively. CO stripping results showed that on-set voltage for CO electro-oxidation was lowered by incorporation of Fe. XRD and XPS results revealed that Fe₂O₃ was formed instead of Fe(0), which resulted in large electron deficiency in Pt and easy CO electro-oxidation. The electron deficiency of Pt was proved by XPS results of Pt4f peaks, which moved to higher binding energies in PtRuFe/C than PtRu/C.     

氮化钨-钨/掺氮有序介孔碳复合材料的制备及其氧还原性能

采用软模板法制备了氮化钨-钨/掺氮有序介孔碳复合材料(WN-W/NOMC),作为一种高比表面积且价格低廉的阴极氧还原反应催化剂。通过适量添加尿素来改变复合材料中的氮含量,在掺氮量为7%(w/w)时,实验发现材料能够保持完整有序介孔结构,测试其比表面积高达835 m~2·g~(-1),透射电子显微镜(TEM)测试结果显示其催化颗粒均匀地分散在氮掺杂有序介孔碳载体上。在O_2饱和的0.1 mol·L~(-1 )KOH溶液中测试了材料的氧还原催化性能(ORR),显示其起始电位为0.87 V(vs RHE),极限电流密度为4.49 mA·cm~(-2),氧还原反应的转移电子数为3.4,接近于20%(w/w)商业Pt/C的3.8,说明该材料表现出近似4电子的氧还原反应途径。研究结果表明,WN-W/NOMC的催化性能虽然稍弱于商业铂碳(0.99 V,5.1 mA·cm~(-2)),但其具有远超铂碳的循环稳定性和耐甲醇毒化能力。     

氮化钨-钨/掺氮有序介孔碳复合材料的制备及其氧还原性能

采用软模板法制备了氮化钨-钨/掺氮有序介孔碳复合材料（WN-W/NOMC）,作为一种高比表面积且价格低廉的阴极氧还原反应催化剂。通过适量添加尿素来改变复合材料中的氮含量,在掺氮量为7%（w/w）时,实验发现材料能够保持完整有序介孔结构,测试其比表面积高达835 m²·g^-1,透射电子显微镜（TEM）测试结果显示其催化颗粒均匀地分散在氮掺杂有序介孔碳载体上。在O₂饱和的0.1 mol·L^-1 KOH溶液中测试了材料的氧还原催化性能（ORR）,显示其起始电位为0.87 V（vs RHE）,极限电流密度为4.49 mA·cm^-2,氧还原反应的转移电子数为3.4,接近于20%（w/w）商业Pt/C的3.8,说明该材料表现出近似4电子的氧还原反应途径。研究结果表明,WN-W/NOMC的催化性能虽然稍弱于商业铂碳（0.99 V,5.1 mA·cm^-2）,但其具有远超铂碳的循环稳定性和耐甲醇毒化能力。     

不同温度烧制介孔碳作为直接甲醇燃料电池催化剂载体

以嵌段共聚物P123为模板制备介孔氧化硅SBA-15, 并以此SBA-15为模板, 以蔗糖为碳源在不同的温度下(600-900 °C)制备介孔碳CMK-3. 采用浸渍还原法, 以硼氢化钠为还原剂, 制备介孔碳载Pt电催化剂, 即20% (w) Pt/CMK-3. 利用循环伏安法(CV)、计时电流法等测试电催化剂对甲醇的催化氧化性能及稳定性. 预吸附单层CO溶出伏安法研究测试催化剂抗CO中毒能力. 结果表明在烧制温度为900 °C时制备的介孔碳载Pt催化剂具有最好的催化性能和稳定性, 而在烧制温度为700 °C时制备的介孔碳载Pt催化剂对CO有较低的溶出电位.     

中空树枝状三氧化钨载铂催化剂对甲醇的电催化氧化性能研究

采用水热法和牺牲模板法相结合制备具有中空树枝结构的三氧化钨载体(d-WO₃),在其表面进一步负载活性成分Pt,得到纳米Pt/d-WO₃复合催化剂。采用X射线粉末衍射(XRD)、透射电镜(TEM)和比表面积和孔结构分析(BET)等对催化剂的形貌和结构进行了表征。结果表明,三氧化钨具有长6 μm和宽2 μm的中空树枝状结构,孔径分布主要集中在20~120 nm,比表面积为24 m²/g,平均粒径为7.2 nm的Pt纳米粒子均匀分布在其表面。采用循环伏安和计时电流法研究了Pt/d-WO₃催化剂在酸性溶液中对甲醇的电催化氧化性能。结果表明,Pt/d-WO₃催化剂比Pt/C和Pt/WO₃催化剂对甲醇有更高的电催化氧化活性和稳定性。d-WO₃所具有的中空介孔结构和双功能作用机理有利于甲醇在铂表面的直接脱氢氧化过程。